摘要： 柴油发动机散热器是水冷式发动机冷却系统的关键部件，通过强制水循环对发动机进行冷却，保证发动机在正常温度范围内连续工作。使用过程中表面会附着大量灰尘影响散热，此外冷却液外漏也是常见故障，直接影响柴油发电机的动力性和经济性。本文阐述冷却系统散热量的计算方法（含传热热量、冷却水循环量及冷却空气需要量的计算公式），详细分析冷却风扇故障、散热不良和散热器漏水三类常见故障的成因与排除方法，并说明冷却系统的日常维护管理要点（含温度控制、防腐、外部与内部清洁及冷却液质量检查），为冷却系统的设计与维护提供技术参考。
一、冷却系统散热量的计算
以闭式循环冷却系统为例，介绍柴油机散热量的计算方式。在设计或选用冷却系统的部件时，就是以散入冷却系统的热量QW为原始数据，计算冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计或选用散热器和风扇。
1. 冷却系统散走的热量
冷却系统散走的热量QW受许多复杂因素的影响，很难精确计算，初估QW时，可以用下列经验公式计算：
式中，A为传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对柴油机取值A=0.18～0.25；g_e为内燃机燃料消耗率（kg/kW·h）；N_e为内燃机功率（kW）；h_n为燃料低热值（kJ/kg）。
如果内燃机还有机油冷却器，而且是水冷型机油冷却器，则传入冷却系统中的热量，也应将传入机油中的热量计算在内。则按（1）式计算的热量QW值应增大5%～10%。
一般把最大功率N_emax工况（额定工况）作为冷却系统的计算工况，但应该对最大扭矩M_emax工况进行验算，因为当转速降低时可能形成蒸气泡（由于气缸体水套中压力降低）和内燃机过热的现象。
具有一般指标的内燃机，在额定工况时，柴油机g_e可取0.210～0.270kg/kW·h，柴油的低热值可取41870kJ/kg，将此值代入公式（1）即得：
柴油机可取 （kJ/s）。直接喷射柴油机可取较小值，预燃室和涡流室柴油机可取较大值。增压的直接喷射式柴油机由于扫气的冷却作用，加之单位功率的冷却面积小，可取 （kJ/s）。
2. 冷却水的循环量
根据散入冷却系统中的热量，可以算出冷却水的循环量V_W：
式中，Δ t_w为冷却水在内燃机中循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取Δt_w=6℃～12℃；ρ_w为水的比重，可近似取ρ_w=1000kg/m³；C_w为水的比热，可近似取C_w=4.187kJ/kg·℃。
3. 冷却空气需要量
冷却空气的需要量V_a一般根据散热器的散热量确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量Q_W。
式中，Δt_a为空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常Δt_a=10℃～30℃；ρ_a为空气的重度，一般ρ_a=1.01kg/m³；C_p为空气定压比热，可取C_p=1.047。
图1 柴油发动机冷却系统工作原理图
二、冷却系统的常见故障
闭式循环水冷系统由水箱、中冷器、进水管、出水管、冷却风扇、散热器、水泵和水温传感器、节温器等组成，结构如图2所示。广泛用于船用应急发电机组和陆用发电机组，不依赖外置冷却源，只要添加冷却液就可以进行运转，移动性高，不过冷却效果受制于环境温度和空气流通量，2000kW以上大功率发电机组不适合使用此类冷却系统。
1. 冷却风扇故障
风扇安装在散热器的后面，其功用是当风扇旋转时，使冷空气以一定的速度和流量通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。结构外形如图3所示。
风扇的位置应尽可能对准散热器芯的中心，以提高散热效果。为了提高冷却效率，在散热器上安装有导风罩，使通过散热器芯部的气流分布更均匀；同时集中穿过风扇，减少空气回流现象，由于散热器是安装在机架上，风扇安装在柴油发电机上，各自部位所承受的振动不同，因此风扇叶端与导风罩之间应保持15～20mm的间隙。风扇的扇风量主要与转速、直径、叶片形状、叶片数目及叶片安装角度有关。叶片数目通常为4～7片，安装时与风扇的旋转平面成30°～45°倾斜角。为了减少叶片扇风时的振动和噪声，叶片间往往相互成不等角安装，一些康明斯柴油发电机还在风扇与连接法兰之间安装橡胶减振块，用于吸收曲轴的扭振，以达到保护风扇叶片，并使它不致因扭振的影响而发生断裂。
风扇传动带应保持一定的张力，若传动带过松，传动带与带轮之间就会打滑，使风扇和水泵的转速下降，影响散热效果，传动带也易磨损；若传动带过紧，则会使水泵轴承受的侧向力增加，加速水泵和传动带的磨损。康明斯柴油发电机多采用张紧轮来自动调节传动带张紧度。
在使用中不要用拉动或撬动风扇的方法来转动柴油发电机，否则会造成严重的人身伤害或使风扇损坏。不要试图修理断裂或弯曲的叶片或缺少平衡重的叶片，否则会破坏风扇的动平衡。不要用通过弯曲叶片的方法来增加送风能力。弯曲叶片会造成材料的应力增加，从而造成风扇故障。
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图2 柴油机冷却系统水路循环示意图. |
图3 冷却风扇及防护罩示意图 |
2. 散热不良
散热器结构由上水室、下水室、散热器芯等组成，结构剖面如图4所示，外形如图5所示。散热器上水室顶部有加水口，冷却水由此注入整个冷却系并用散热器盖盖住。在上水室和下水室分别装有进水管和出水管，进水管和出水管分别用橡胶软管和气缸盖的出水管和水泵的进水管相连，这样，既便于安装，而且当发动机和散热器之间产生少量位移时不会漏水。在散热器下面一般装有减震垫，防止散热器受振动损坏。在散热器下水室的出水管上还有放水开关，必要时可将散热器内的冷却水放掉。
柴油发电机运行一段时间后，散热器外部会被灰尘覆盖，内部会被冷却系统内污物和杂质堵塞，造成系统散热不良，使水温过高。因此，要定期清除散热器外部污物及水箱内的污垢。
（1）散热器外表面堵塞的清除。由于柴油发电机工作环境多半是尘土飞扬，因此散热芯表面会被油污、泥垢粘附堵塞，使其导热性变差，致使散热严重降低，造成水温过高。正确清除的方法是：先用钢丝刷顺散热片方向轻轻刷去外表面的油污，并使散热器在地面上轻轻振动几次，可使一部分油污掉下来。再用压缩空气向散热器芯吹几分钟，基本上能将全部污物除掉。
（2）散热器内部堵塞的清除。将散热器放在洗涤池内，进行清洗脱水垢，其方法有：①在洗涤池内放入含有碳酸钠3%～5%的水溶液，加热并使该溶液温度保持在80～90℃，约5～8h后取出散热器，再用温水清洗。②洗涤池内盛含有10%～15%的苛性钠水溶液，加热使散热器在该溶液中浸煮25～30min，取出后用热水清洗。③对水垢重的散热器，可使用3%～5%的盐酸溶液，并按每升溶液加入3～5g六亚甲基四胺，然后加热到60～70℃，清洗约30min，再用热碱水中和，最后用热水冲洗。④对水垢严重的散热器，可用焊枪加热烫开焊缝，取下上水室，用锯条清除水垢，边除垢边用水冲洗，疏通各根水管，以保证各管道畅通无阻。水管疏通后，再将上水室恢复原位。
3. 散热器漏水
柴油发电机散热器经过长期使用，会发生破裂和损伤而漏水。故障产生的主要原因：散热器固定不牢；减振装置失效；冷却液中的有害物质引起内腐蚀；冷却液未放尽使散热器冻裂；散热器被风扇叶片打坏。
（1）查找漏水部位。清洗后的散热器，应检查是否漏水，可采用灌水法和打气法。检查前可将散热器取下，将上、下水管堵住，然后再进行检查。检查时将散热器注满水，装上压力测试器。用手推测试器，使压力升到147kPa，检查压力是否下降，观察外部有无漏水现象。将散热器盖检验器装到散热器盖上，并对散热器盖加压。检查密封性能和排气阀的开启压力。当压力上升到12～15kPa时，排气阀必须打开。如果读数不在允许范围内，应更换散热器盖。
（2）修理散热器。经检查确认漏水的散热器，根据漏水的部位和严重程度的不同，按以下方法进行修理。
① 外层损坏漏水的修理。外层漏水可不必拆下水管，先把破洞附近的散热器片拨开，用刀子把破洞周围的氧化物刮去，露出铜的本色，必要时再用稀盐酸浸蚀，然后把焊锡熔于其上堵死破洞。如有较大破损造成施焊困难时，可以剪取比破洞稍大的铜皮进行补焊。
② 上下水室的修理。水室常见的损坏为破洞和凹陷，破洞可用薄铜皮焊补。凹陷处可用拉平方法修复。
③ 内部损坏漏水的修理。先要揭开水箱的上、下贮水室。可用烙铁或喷灯熔化接缝，而后撬开焊缝取下散热器芯子。采用下列方法修复：
堵管法：当漏水的散热器管分布比较均匀，且数目较少时，可直接将散热器管上、下管口用焊锡堵死。散热器管堵死后，使散热面积减少，冷却效果变差，因此被堵死的散热器管数一般不应超过总管数的10%～15%。若漏水的散热芯管数目超过15%，则不能用此方法，以免降低冷却系的冷却效果，可采用焊补法，对散热芯管的个别渗漏部位进行锡焊。
换管法：采用换管修理时，先把已损坏的散热器管进行拆卸。首先刮除管口两端的焊锡，然后使旧管与散热器片熔脱，拉出旧管。把外表面已涂好焊锡的新管由另一端插入后加热新管，使所涂的焊锡熔化并与散热器片焊合在一起。最后在管口两端再用焊锡焊牢。脱焊旧管和焊接新管，可用两、三个烧红（加热到800～850℃）的长铁条轮流加热，也可用比散热器管长30～50mm的电阻丝加热。在电阻丝外表面涂抹一层光滑水玻璃和滑石粉的绝缘混合物（其重量比为3∶2）或者电阻丝外缠石棉线来绝缘。
镶管法：此法先用末端带扩张锥体的拉条在旧管内部拉过，使旧管内径稍许扩大，并除去内表面所沉积的水垢。把相应直径的新管插入后，再把两端焊牢在散热器上。另一种接管的方法是将管子的损坏部分切去，再取一段较切去部分长5～10mm的外径相当于散热管内径的管子，把外表面清理干净，将两管套在接管上进行焊接。
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图4 柴油机水箱散热器结构剖面图 |
图5 柴油机散热水箱外形图 |
三、冷却系统的维护管理
首先调整冷却系统的工作参数，并确保正常。淡水温度应根据说明书的规定调整至正常工作范围。勿使淡水出口温度过低（造成热损失增加、热应力增大、低温腐蚀）或过高（使缸壁滑油膜蒸发、缸壁磨损加剧、冷却腔内发生汽化、缸套密封圈迅速老化）。对于中高速柴油机，一般出口温度可控制在70℃～80℃（不烧含硫重油时），低速机可控制在60℃～70℃；进出口温差不大于12℃。一般淡水出口温度以接近允许上限为宜。
1. 冷却温度的控制与调整
（1）温度控制的重要性。冷却液温度直接影响发动机的热效率、磨损速率和排放性能。温度过低会导致燃油雾化不良、燃烧不充分，增加油耗和积碳；温度过高则降低机油粘度，加剧磨损，严重时导致拉缸或活塞烧顶。
（2）不同工况下的温度调整。在冷启动阶段，应使发动机在怠速下暖机至40℃以上再加载，避免低温大负荷运行。在额定工况下，应确保冷却液出口温度稳定在厂家推荐范围内（通常为75℃～85℃），避免频繁波动。当环境温度超过40℃时，应检查散热器通风是否顺畅，必要时增加辅助通风。
（3）温度异常的排查。若发现水温持续偏高，应按顺序检查：冷却液液位是否充足→风扇传动带是否打滑→散热器外部是否堵塞→节温器是否卡滞→水泵是否失效。若水温持续偏低，应检查节温器是否常开或散热器是否过度冷却。
2. 防止腐蚀问题
（1）腐蚀的成因。冷却系统中的腐蚀主要由电化学作用引起，不同金属（铸铁缸体、铜散热器、铝制部件）在电解液中形成原电池，加速阳极金属的腐蚀。溶解氧、氯化物和酸性物质会加剧这一过程。
（2）防腐蚀措施。要经常保持管子接头不要泄漏，并从散热器顶部定期加水排放空气以保持系统内“无空气”。散热器及各管路不应处于柴油机注、放水处，因为这样更会加速腐蚀。对于不工作的柴油机，要把水全部放掉或全部灌满防冻防锈冷却液，防止水锈对柴油机的零部件腐蚀。应使用符合标准的防冻防锈冷却液，定期检测冷却液pH值（应在7.5～10之间），当pH值低于7时应及时更换冷却液。
3. 外部清洁
（1）日常清洁方法。在尘多或污积的环境，散热器的缝隙可能会被碎屑、昆虫等物堵塞，从而影响散热器的效率。对这些轻沉积物经常性的清理可以用低压热水加上清洁剂喷洗，把蒸气或水从散热器前面向风扇喷射。如从反方向喷射只会把污物吹进中心。当使用此方法时，要用布遮挡柴油机及交流发电机。
（2）顽固沉积物的处理。顽固的沉积物又不能用上述方法清除，则可以把散热器拆下浸在热的碱水约20分钟，然后用热水冲洗干净。清洗后应检查散热器翅片有无倒伏，若有倒伏应用梳状工具理直。
（3）清洁周期与记录。建议每运行500小时进行一次外部清洁，在多尘环境中应缩短至250小时。每次清洁后应记录清洁日期和散热器状态，便于后续维护追踪。
4. 内部清洁
（1）内部堵塞的原因。如果柴油机因为接头漏水，别无选择要用硬水灌注用了一段时间，或者因为发电运行了一段时间又没有用除锈剂，内部冷却系统可能会因水垢、水锈及油性污物积聚，堵塞了水道。水垢的主要成分是碳酸钙和硫酸镁，导热系数仅为钢材的1/20～1/50，即使1mm厚的水垢也会使散热效率降低15%～20%。
（2）内部清洗方法。可采用专用冷却系统清洗剂进行循环清洗，按说明书比例加入清洗剂后，使发动机在怠速下运行30～60分钟，然后排放清洗液，用清水反复冲洗至干净。对于严重堵塞的系统，应拆卸散热器进行专业的除垢处理（按第二节中的方法进行）。
（3）清洗后的处理。清洗完成后应更换冷却液，并添加适量的防锈防蚀添加剂。建议每两年或每运行2000小时进行一次内部系统清洗。
5. 冷却液质量检查
（1）检查频率与项目。应定期（最好每周一次）检查冷却水质量，检测水处理添加剂（如缓蚀剂）的浓度应在其说明书规定范围内，pH值（在20℃时应为7～10）和氯化物浓度（不大于50ppm）。通过这些指标的变化可大致判断冷却系统的工作状态。如若氯化物浓度增加，则表示有海水漏入；pH值降低说明有排气漏入。
（2）冷却液的更换标准。当冷却液出现浑浊、变色（由鲜绿色变为褐色或锈色）、有异味或pH值低于7时，应立即更换。更换时应排尽旧液，用清水冲洗系统，再加入符合标准的新冷却液。
（3）防冻液的使用。在寒冷地区，应根据当地最低气温选用合适冰点的防冻液（如-25℃、-35℃或-45℃标号），并每两年检测一次防冻液的冰点，确保其性能未衰减。
总结： 冷却系统的设计和散热量计算虽然并不一定是发动机操作人员和维修工的任务，但因发动机的性能和使用可靠性与冷却系统设计的好坏关系很大，故发动机相关人员也必须熟悉这方面的内容。柴油机冷却系统是一个复杂的系统，由多个部件组成，只有这些部件协同工作，才能保证柴油机的正常工作温度，延长柴油机的使用寿命。因此，在使用柴油机时，我们应该定期检查冷却系统的各个部件，确保它们的正常运转。日常维护中应重点关注冷却温度的控制（正常范围75℃～85℃，进出口温差不大于12℃）、防腐蚀措施（使用合格冷却液、保持密封、防止空气进入）、外部清洁（定期清除散热器表面污物）和内部清洁（每两年或2000小时清洗一次系统）。只有通过这些综合维护措施，才能确保冷却系统长期高效运行。
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